實(shí)驗(yàn)背景

隨著海洋研究和能源勘探走向深海，對(duì)潛水器壓力殼的結(jié)構(gòu)和性能要求更嚴(yán)格。相較于球形壓力殼，蛋狀壓力殼對(duì)初始幾何缺陷和材料塑性的敏感性明顯降低。流線型的外形有助于減少阻力和導(dǎo)流，增加機(jī)動(dòng)性，在浮力儲(chǔ)備和空間利用率方面也更優(yōu)。

當(dāng)壓力殼在深海中工作時(shí)，裂紋會(huì)在殘余的作用下傳播拉應(yīng)力和深海壓力的共同作用，最終會(huì)導(dǎo)致壓殼的失效。因此，為了保證承壓殼在役中的安全，采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于3D-DIC技術(shù)分析分段蛋形承壓殼的疲勞裂紋擴(kuò)展特性至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)建立18Ni(250)蛋形壓力殼的精確裂紋擴(kuò)展速率模型，采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，基于三維數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC），三維DIC技術(shù)進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)試，分析疲勞擴(kuò)展演化特征和擴(kuò)展速率，為蛋形壓殼疲勞損傷預(yù)測(cè)和安全運(yùn)行評(píng)估提供了參考。

卵狀殼的無(wú)模自由液壓成形示意圖(a)曲率不等的曲面;(b)焊接預(yù)制件;(c)無(wú)模自由液壓成形

分節(jié)的蛋狀壓力殼

分段卵狀壓力殼應(yīng)力分析

為了模擬蛋形殼成形的實(shí)際應(yīng)力，首先將焊接殘余應(yīng)力施加到預(yù)成形件上，在無(wú)模自由液壓成形后對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行重新分布。然后，對(duì)水壓下的無(wú)模自由液壓成形模型進(jìn)行了模擬，得到了在役蛋形殼的應(yīng)力分布。

不同內(nèi)壓下蛋形壓力殼的最大變形

由于彎曲應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響顯著，主要關(guān)注蛋殼沿旋轉(zhuǎn)軸(x 軸)方向的應(yīng)力。下圖為蛋殼赤道錐在x軸方向上的應(yīng)力分布云圖，壓力殼的外表面承受拉應(yīng)力，內(nèi)表面承受壓應(yīng)力，不同焊縫的應(yīng)力不同。

蛋形壓力殼在x軸方向上的應(yīng)力云圖

下圖為A-B-C-D-E處沿厚度方向的應(yīng)力值。相同外載荷作用下，外表面最大拉應(yīng)力為D、714.7 MPa，其次為 C、E，內(nèi)表面最大壓應(yīng)力為C、D，1335.1 MPa、1103.4 MPa。由于拉應(yīng)力更容易導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展，因此在D焊縫處更容易發(fā)生疲勞破壞。

焊縫沿厚度方向的應(yīng)力;厚度為 0in-表示外表面

卵狀壓力殼的疲勞裂紋擴(kuò)展

標(biāo)準(zhǔn)疲勞試驗(yàn)獲得的疲勞性能參數(shù)基于穿透裂紋的二維疲勞擴(kuò)展理論，而蛋殼表面裂紋為非穿透性三維裂紋。實(shí)驗(yàn)從等效結(jié)構(gòu)和應(yīng)力場(chǎng)的角度，設(shè)計(jì)分節(jié)壓力蛋殼的等效試樣，并利用該等效試樣進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，采用三維數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC），測(cè)量疲勞裂紋演化過(guò)程，得到裂紋擴(kuò)展速率。

模型的幾何形狀(a)焊縫D處結(jié)構(gòu)示意圖;(b)等效試樣的結(jié)構(gòu)示意圖

采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)等效試樣進(jìn)行軸向壓縮疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，基于三維數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC），獲取裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)。新拓三維DIC技術(shù)設(shè)備位移測(cè)量精度小于0.01 mm，三維DIC技術(shù)測(cè)量精度小于30微應(yīng)變。選擇焦距為50 mm的透鏡。DIC技術(shù)設(shè)備采集時(shí)間間隔為10 s/張。圖像分辨率為425 PPI。

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)-三維DIC技術(shù)設(shè)備

疲勞試驗(yàn)結(jié)束后，用新拓三維DIC軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算工程應(yīng)變。在DIC測(cè)量塊中布置虛擬伸量?jī)x，獲得伸量?jī)x張量，擬合伸量?jī)x張量-位置曲線，計(jì)算裂縫長(zhǎng)度a。結(jié)合試驗(yàn)機(jī)的工作頻率和DIC技術(shù)設(shè)備圖像采集的時(shí)間間隔，得到疲勞循環(huán)次數(shù)N。

等效試件裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果

不同裂紋形狀比的疲勞裂紋擴(kuò)展a-N曲線

從DIC軟件分析可以看出，裂紋形比對(duì)等效試樣的疲勞壽命有顯著影響。隨著裂紋形比的增大，裂紋疲勞擴(kuò)展壽命迅速降低。

將4種不同形狀比下的裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值繪制到同一對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，同時(shí)對(duì)非共存擴(kuò)展速率曲線進(jìn)行處理，得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨有效應(yīng)力強(qiáng)度幅值的曲線。

等效試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線。(a)加工前曲線;(b )加工后曲線

蛋形壓力殼的腐蝕疲勞壽命預(yù)測(cè)

不同裂紋形比(c/a)裂紋的疲勞壽命變化較大，這與等效試件的疲勞試驗(yàn)結(jié)果一致。

疲勞裂紋擴(kuò)展 a-N 曲線

從下圖可看出，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到18Ni(250)的斷裂韌性時(shí)，表面裂紋沿表面裂紋方向演化為穿透裂紋，裂紋面向等效試樣側(cè)面延伸。

3 號(hào)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑。(a)數(shù)值計(jì)算中沿長(zhǎng)度的裂紋擴(kuò)展路徑;(b )數(shù)值計(jì)算中裂紋沿 深度擴(kuò)展 路徑;(c)試驗(yàn)中裂 紋沿長(zhǎng)度 擴(kuò)展路 徑;(d)試驗(yàn)中裂紋沿深度擴(kuò)展路徑

殘余應(yīng)力沿厚度分布并不均勻。在殘余拉應(yīng)力的作用下，裂紋沿焊趾向下延伸。隨著裂紋深度的增加，殘余拉應(yīng)力減小。當(dāng)應(yīng)力幅值裂紋尖端的強(qiáng)度因子小于閾值時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，這與等效試樣疲勞試驗(yàn)結(jié)果一致。

等效試樣的焊接殘余應(yīng)力沿厚度分布

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

針對(duì)蛋形壓殼在制造和服役過(guò)程中焊縫趾部容易產(chǎn)生疲勞裂紋的特點(diǎn)，采用新拓三維XTDIC三全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，DIC技術(shù)結(jié)合疲勞試驗(yàn)機(jī)，結(jié)合分析軟件研究典型蛋形壓殼結(jié)構(gòu)等效試樣的裂紋擴(kuò)展特征。

(1)對(duì)蛋狀壓力殼進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在海水外壓力和焊接殘余應(yīng)力的作用下，蛋狀壓力殼外表面承受拉應(yīng)力，內(nèi)表面承受壓應(yīng)力。焊縫D外表面最大拉應(yīng)力為714.7 MPa。

(2)通過(guò)對(duì)蛋形壓力殼等效試樣的試驗(yàn)，得到了不同形狀比下的裂紋擴(kuò)展速率曲線。對(duì)等效試件的疲勞壽命進(jìn)行了數(shù)值模擬，裂紋擴(kuò)展路徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，說(shuō)明了數(shù)值模型的正確性。

案例摘自：【Zhu Yongmei，Jiangsu University of Science and Technology，F(xiàn)atigue crack propagation characteristics of segmented egg-shaped pressure shells】